MMC-HVDC系统功率器件的结温估算与寿命预测

柔性直流输电系统采用模块化多电平结构,半桥功率模块的寿命预测较为困难,提出了一种功率模块器件的结温实时监测方法及寿命耗损的评估方法.首先,研究了半桥功率模块的功率损耗计算方法,建立功率器件级的热阻模型,研究模块结温实时监测方法.然后,通过Lesit寿命模型和线性损伤累积理论对模块寿命耗损进行定量研究,结果表明,功率波动...     

MMC系统功率器件基频结温波动快速计算方法

将运行工况转换为器件上承受的热荷载是寿命耗损评估的关键,而寿命耗损评估的准确性受限于功率器件结温计算的速度和精确性。模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)系统桥臂电流具有与生俱来的直流偏置特性,使得子模块内部产生热不平衡。且长时间任务剖面下,较大的基频结温波动对子模块中IGBT模块寿命评估影响不容忽视。为此,文中提出一种考虑运行参数影响的基频结温波动快速解析计算方法。以1.3MVA MMC并网系统为例,通过实验平台测试了所用器件的动静态参数,建立精确的3D器件损耗模型,将所提的结温波动计算模型与时域电热仿真进行准确性对比,讨论不同运行参数对所提结温计算方法的影响。最后,基于所提方法对实际传输功率下网侧MMC子模块中IGBT模块基频结温波动进行计算,验证该方法有助于准确评估MMC中功率器件可靠性。     

基于电-热耦合模型的IGBT模块结温计算方法

温度循环下的疲劳累计损伤是IGBT模块失效的主要原因,计算IGBT模块的结温对预测其寿命具有重要意义。为了研究IGBT模块工作过程中结温变化情况,首先通过计算IGBT和FWD的功率损耗建立了IGBT模块电模型,然后在分析IGBT模块热传导方式的基础上建立了IGBT模块热模型,进而基于电模型和热模型建立了IGBT模块的电-热耦合模型,最后以三相桥式逆变器为例对IGBT和FWD的结温进行了仿真分析。结果表明,由于IGBT和FWD处于开关状态,两者的结温波形均呈波动形状,且波动均值经过短时间上升后稳定于一恒定值,所以逆变器用IGBT模块开始工作后经短时间的热量积累最终达到热稳定状态;由于IGBT的开关损耗比FWD大,使得IGBT结温受开关频率的影响较大。     

双馈风电变流器IGBT模块功率循环能力评估

为准确评估不同风况下双馈风电机组变流器的可靠性水平,提出一种机侧变流器IGBT模块的功率循环能力评估方法,并研究了风速对功率循环能力的影响。基于器件失效模型,建立机侧变流器IGBT模块的平均失效时间(MTTF)计算模型。结合变流器实时运行参数,建立机侧变流器IGBT模块结温计算模型,并分析湍流风速对结温波动的影响,进而提出基于雨流算法提取随机结温波动信息。根据提取的随机结温波动信息,结合风速统计特性,提出机侧变流器IGBT模块功率循环能力评估模型。最后,以某1.5 MW双馈风电机组机侧变流器IGBT模块为例,分析年平均风速及湍流强度对其功率循环能力的影响。分析结果表明:该变流器IGBT模块的MTTF其随着年平均风速及湍流强度的增大而减小;相比传统评估模型,所建立的评估模型更准确。     

基于寿命消耗分布规律的风电变流器IGBT模块热管理控制策略

结温波动是引起绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)热疲劳失效的重要原因之一,降低其幅值能够提高IGBT模块的可靠性。该文提出一种基于寿命消耗分布规律的热管理控制策略。所提策略首先结合一整年的风速和气温数据,量化分析IGBT模块的寿命消耗分布规律,讨论需要被重点管理的结温波动类型和大小;然后,通过将结温阈值下限设定为最低环境温度,研究对低频结温波动实现有效抑制的结温阈值上限。结果表明,风电变流器应侧重于抑制IGBT模块幅值较高的低频结温波动,并且应计入长时间的任务剖面以便反映出结温波动的实际分布规律。案例和实验验证所提策略不仅可以有效抑制低频结温波动,而且显著降低IGBT模块的寿命消耗。所提策略为如何提高长时间运行工况下IGBT模块的可靠性提供一种新方法。     

考虑老化进程对热参数影响的IGBT模块寿命评估

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)模块是风电转换系统中最为薄弱的环节之一,其准确的寿命和可靠性评估对风电系统安全运行尤其重要。然而,目前IGBT模块寿命评估模型主要采用基于数据手册的瞬态热阻曲线或者试验测试初始结果的热模型,并未考虑IGBT模块老化过程对热参数的影响。该文提出考虑老化进程对热参数影响的IGBT模块寿命评估模型,该模型能够计及老化过程中因热参数增大而带来的热载荷上升和寿命减小,提高了寿命评估的准确性。首先,理论和试验分析了老化进程对热参数的影响规律,提出了考虑老化进程影响的IGBT模块寿命评估模型;其次,对比分析了该模型与现有常用寿命模型之间的差异;最后以实际风电场为例,进一步分析了不同时间尺度下考虑老化影响的模块寿命消耗。     

计及疲劳损伤的多时间尺度风电变流器IGBT可靠性评估

现有的风电变流器中绝缘栅双极型晶体管(IGBT)可靠性评估方法在计及疲劳损伤时无法兼顾计算效率与准确度,为此提出了一种多时间尺度可靠性评估算法.首先,基于监测控制和数据采集(SCADA)数据建立风速的威布尔概率分布模型,依据风电变流器拓扑结构推导IGBT模块的电热耦合模型,并引入了常用的寿命预测模型;其次,对风电变流器...     

双馈风电变流器IGBT模块的损耗与结温准确计算模型及规律研究

为了解决交变热应力大范围波动会导致IGBT模块稳定性大幅下降,引起双馈风电变流器IGBT模块故障频发的问题,基于解析解理论以及不同损耗分析方法并结合双馈风电变流器实际运行特性,建立了IGBT模块功率损耗以及机侧、网侧结温稳态模型,并且分析了其在不同工况下的变化特性。结果表明,风速对机侧以及网侧变流器IGBT模块的功损耗以及结温变化特性影响较大,最终得到基于开关周期理论所建模型更加适用于分析IGBT模块结温以及损耗的精确模拟。双馈风电用机侧变流器IGBT稳态结温波动幅值随风速的增大而增大。     

考虑多热源耦合的风电变流器IGBT模块结温评估模型

为了更准确地描述大功率风电机组变流器IGBT模块内并联芯片的结温,提出一种考虑多热源耦合影响的变流器功率模块结温评估改进模型。从实际2 MW双馈风电机组变流器IGBT模块内部结构和材料参数出发,利用有限元方法分析IGBT模块内多芯片的结温分布和稳态热耦合影响。引入等效耦合热阻抗概念,推导功率模块芯片间热阻抗关系矩阵,并建立考虑多芯片热源影响的IGBT模块改进热网络模型。以某H93-2MW双馈风电机组为例,对比分析了不同功率损耗下改进模型的芯片结温计算结果与有限元和常规热网络模型结果。结果表明了考虑多热源耦合影响的风电变流器功率模块内部芯片结温计算的必要性和有效性,且热耦合影响程度与不同的芯片间距密切相关,需重点关注非边缘位置芯片的热分布。     

气温波动对风电变流器中功率器件寿命消耗的影响

风电变流器中功率器件承受的热载荷具有多时间尺度特性,具体可以划分为基频热载荷和低频热载荷,不同时间尺度的热载荷将导致不同的器件寿命消耗,因而需要分别进行评估。气温的随机波动会对热载荷产生影响,因此在进行器件寿命评估时应考虑气温因素。然而现有的寿命评估方法受限于结温计算方法,仅考虑风速的变化而忽略了气温波动对寿命消耗的影响。因此,基于结温数值计算方法,利用Bayer寿命模型,以Lauswersoog和Valkenburg两个风电场2015年的气温和风速数据为基础,评估了计及气温下功率器件的可靠性,分析了气温波动对寿命消耗的影响。结果表明,长期的气温波动会增加器件的寿命消耗,并且气温波动主要影响低频寿命消耗,而对基频寿命消耗基本没影响。     

基于MMC结温波动优化的预测控制策略及其可靠性分析

模块化多电平换流器(MMC)IGBT子模块的平均结温及其波动会显著影响其失效率,进而对系统的可靠性产生影响。在MMC热平衡算法的基础上,分析如何在降低MMC子模块结温分布差异和保持子模块的电容电压波动不变的前提下,只通过改变子模块的投切过程来降低结温波动的可能性。以接近结温波动的最小理论幅值ΔT_(min)、降低子模块间的结温波动差异为目标,结合预测得到的下一个控制周期中器件的结温,给出温度波动优化的控制策略。采用Coffin-Manson寿命模型和线性累计损伤理论,评估温度优化控制策略下MMC系统的寿命。最后,在MATLAB中搭建10电平仿真模型,仿真结果表明通过对MMC系统进行温度控制可以提高系统的可靠性。     

计及焊层疲劳影响的风电变流器IGBT模块热分析及改进热网络模型

针对不同疲劳寿命时期对风电变流器绝缘栅双极型晶闸管(IGBT)模块结温的影响,分析焊层在不同脱落度下的IGBT模块热阻变化规律,并建立考虑热阻变化的改进热网络模型。首先,依据风电机组变流器IGBT模块的结构和材料属性,建立三维有限元热-结构耦合分析模型,对基板焊层和芯片焊层在不同脱落度下IGBT模块结温和热应力的分布规律进行仿真分析。其次,确定不同焊层脱落度下其热阻增量值,并建立IGBT模块改进热网络模型。最后,将三维有限元模型和改进热网络模型的结温计算结果进行对比分析,验证了所提的改进热网络模型的有效性。     

双馈风电机组变流器IGBT结温计算与稳态分析

针对双馈风电机组机侧变流器长期处于低频下运行导致故障率高的机理问题,提出其功率器件绝缘栅型双极性晶体管(IGBT)结温准确计算方法及其变化规律的研究。首先基于不同损耗分析方法,结合IGBT热网络,建立了IGBT结温计算模型,并对一个实际IGBT在不同结温计算方法下的稳态结温进行比较。其次,结合双馈风电机组运行特性,分别建立其全范围工况下机侧变流器IGBT的结温计算模型。最后,分析了双馈风电机组在不同风速下机侧变流器IGBT稳态结温变化规律及其影响因素。结果表明,基于开关周期损耗的结温计算方法更适合较低频率运行下IGBT结温的准确计算;双馈风电用机侧变流器IGBT稳态结温波动幅值随变流器输出频率的降低而增大。     

IGBT功率模块热网络模型建立及其参数辨识方法综述和展望

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率变流器的核心器件,其可靠性受到广泛重视。而结温过高或者温度波动过高是导致功率器件失效的主要因素,故实时精确地监测IGBT模块结温对于提高其可靠性具有重要意义。通过建立热网络模型,然后对其电路进行仿真可获取结温,该方法因简单易行且可实现对结温的在线监测从而得到广泛应用。对现有的热网络模型进行了总结和归纳,并根据模型结构将其分为一维、二维和三维三类。然后,对近年来热网络模型的参数辨识方法的研究情况进行探讨,并对各个方法进行了比较和评价。在此基础上,对未来新的热网络模型和模型参数辨识方法的研究方向进行了展望。     

基于神经网络的IGBT模块剩余使用寿命预测模型

对IGBT模块使用寿命进行预测是评估其健康状态和可靠性的有效手段。基于IGBT老化实验测量,构建了包括饱和压降和结温的二维IGBT状态检测指标。对于归一化后的数据,提出了分段处理方法,去除了IGBT键合线断裂引起的较大指标波动。以饱和压降和结温数据为基础,提出了基于BP神经网络算法的IGBT剩余寿命预测模型。针对同样本不同通道、不同实验条件样本等情况,验证了本模型在剩余寿命预测中的准确性。     

计及焊料层疲劳累积效应的IGBT模块寿命评估

作为大功率变流器的关键单元,绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的高可靠性是系统稳定运行的重要保证,准确的寿命评估是提高系统可靠性的有效手段之一。然而,目前器件寿命评估多忽略焊料层疲劳造成的热阻、热载荷增大效应,易高估器件寿命。针对该问题,该文提出计及焊料层疲劳累积效应的IGBT模块寿命评估模型,该模型考虑焊料层失效位置信息以及疲劳造成的热特性反馈效应。首先,基于IGBT模块三维电–热–力多物理场耦合模型分析不同焊料层疲劳对模块热响应影响的差异;其次,提出基于Cauer模型的考虑焊料层疲劳位置信息的热网络更新策略;然后,基于该策略建立适时更新热网络的计及焊料层疲劳对模块老化加速作用的寿命预测模型;最后,与现有寿命预测模型对比分析实际风速下风机变流器中IGBT模块的寿命评估。     

基于加速老化试验的IGBT寿命预测模型研究

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)在工作过程中经常要承受过热和较大的温度波动,当热损伤达到一定程度时,模块极有可能出现失效,这会给电力系统造成巨大的危害。如果能根据寿命预测模型提前预估模块的寿命,便可以在模块即将失效之前进行更换,从而避免模块突然失效带来的损失。因此,考虑在检测模块壳温的条件下进行IGBT的温度循环试验,研究工况中易获得的壳温与IGBT寿命的关系模型。在已有寿命模型的基础上,提出改进的寿命预测模型,经试验数据验证准确度更高。     

一种基于调节缓冲电容的IGBT热管理方法

针对结温波动加快绝缘栅双极型晶体管(IGBT)老化失效的问题,提出一种基于调节缓冲电容改变IGBT关断轨迹的热管理方法。依据IGBT寿命模型,通过关断轨迹调节关断损耗大小以平滑结温波动的方法能提高IGBT使用寿命。与现有的热管理方法相比,该方法具有对主电路影响小、实现简单等优点。首先,阐述热管理电路的工作原理,分析缓冲电路对IGBT关断损耗的影响。然后,建立IGBT损耗计算模型,归纳关断轨迹热管理调节能力的评估方法,以1.2 MW直驱风机系统为例,关断轨迹热管理可以平滑20%额定功率的负载变化造成的结温波动。最后,对该热管理方法进行小功率的实验验证。     

基于热敏感电参数法的大容量IGBT模块动态结温在线检测研究

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)在风力发电等大功率系统中应用广泛,其可靠性越来越受到学术界和工业界重视,鉴于结温是影响IGBT模块可靠性的重要因素,国内外学者提出了诸多基于热敏感电参数的结温提取方法,然而较少涉及大容量IGBT模块动态结温在线监测和测试的研究。设计和搭建了基于H桥拓扑的兆瓦级应用工况复现平台,可开展大功率变流系统的运行工况型式测试。以关断延迟时间为热敏感电参数,简要论述了其与器件结温和负载电流等运行工况的相关性,并通过实测构建了三维数据库。基于运行工况复现平台,研究了大容量IGBT模块在不同基波频率下的结温波动特征,并通过模块内置的负温度系数(negative temperature coefficient,NTC)热敏电阻进行结温波动对比,验证了以关断延迟时间进行IGBT模块结温在线提取和检测具有灵敏度高、响应速度快和易于集成的优点。     

IGBT模块结温变化下的电磁干扰特性研究

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是电力变换装置中的重要器件,评估其可靠性至关重要。IGBT的结温及结温波动是造成其失效的主要原因,如何判定结温波动成为一个研究难点。通过分析IGBT的结构与结温特性、结温机理和结温波动对开关过程的影响及开关波形的频域模型,可以得出结温升高会导致IGBT模块工作过程中产生的电磁干扰变小,然后通过实验验证。实验测试结果表明,基于电磁干扰强度的结温估计或结温波动估计方法切实可行。